Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Карбид тантала
γ-карбид тантала в кубической фазе
Порошок карбида тантала
Имена
Название ИЮПАК
Карбид тантала
Другие имена
Карбид тантала (IV)
Идентификаторы
3D модель ( JSmol )
ECHA InfoCard100.031.914 Отредактируйте это в Викиданных
Номер ЕС
  • 235-118-3
UNII
  • InChI = 1S / C.Ta / q-1; +1
    Ключ: DUMHRFXBHXIRTD-UHFFFAOYSA-N
  • [Ta +] # [C-]
Характеристики
TaC
Молярная масса192,96 г / моль
ВнешностьКоричнево-серый порошок
ЗапахБез запаха
Плотность14,3–14,65 г / см 3 (TaC)
15,1 г / см 3 (TaC 0,5 ) [1]
Температура плавления3,850–3,880 ° C (6,960–7,020 ° F; 4,120–4,150 K)
(TaC) [2]
3,327 ° C (6021 ° F, 3600 K)
(TaC 0,5 ) [1]
Точка кипения4,780–5,470 ° C (8,640–9,880 ° F, 5,050–5,740 К)
(TaC) [1] [2]
Нерастворимый
РастворимостьРастворим в смеси HF - HNO 3 [1]
Теплопроводность21 Вт / м · К [2]
Термохимия
36,71 Дж / моль · К [3]
42,29 Дж / моль · К
-144,1 кДж / моль
Родственные соединения
Сопутствующие огнеупорные керамические материалы
Нитрид циркония Карбид
ниобия Карбид
циркония
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
☒N проверить  ( что есть   ?)проверитьY☒N
Ссылки на инфобоксы

Карбиды тантала (TaC) образуют семейство бинарных химических соединений тантала и углерода с эмпирической формулой TaC x , где x обычно изменяется от 0,4 до 1. Это чрезвычайно твердые , хрупкие, тугоплавкие керамические материалы с металлической электропроводностью . Они выглядят как коричнево-серые порошки, которые обычно обрабатываются спеканием .

Карбиды тантала, являющиеся важными металлокерамическими материалами, коммерчески используются в режущих инструментах и иногда добавляются к сплавам карбида вольфрама . [4]

Пики температур плавления карбидов тантала достигаются примерно при 3880 ° C, в зависимости от чистоты и условий измерения; это значение является одним из самых высоких для бинарных соединений. [5] [6] Только карбид тантала и гафния может иметь немного более высокую температуру плавления, около 3942 ° C, [7] тогда как точка плавления карбида гафния сравнима с температурой плавления TaC.

Подготовка [ править ]

Порошки TaC x желаемого состава получают нагреванием смеси порошков тантала и графита в вакууме или в атмосфере инертного газа ( аргона ). Нагрев осуществляется при температуре около 2000 ° C с использованием печи или дуговой плавильной установки. [8] [9] Альтернативный метод является снижением из пентоксида тантала углерода в вакууме или в атмосфере водорода при температуре 1500-1700 ° С. Этот метод был использован для получения карбида тантала в 1876 г. [10], но он не позволяет контролировать стехиометрию продукта. [6] Производство TaC непосредственно из элементов было зарегистрировано посредством самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.. [11]

Кристаллическая структура [ править ]

β-TaC 0,5 с элементарной ячейкой, синий цвет - тантал

Соединения TaC x имеют кубическую (каменную соль) кристаллическую структуру для x = 0,7–1,0; [12] параметр решетки растет с увеличением x . [13] TaC 0,5 имеет две основные кристаллические формы. Более стабильная имеет тригональную структуру типа иодида кадмия , которая при нагревании примерно до 2000 ° C трансформируется в гексагональную решетку без дальнего порядка для атомов углерода. [8]

ФормулаСимметрияТипСимвол ПирсонаКосмическая группаНетZρ (г / см 3 )а (нм)c (нм)
TaCКубическийNaCl [13]cF8FM 3 м225414,60,4427
TaC 0,75Тригональный [14]24 грн.R 3 м1661215.010,31163
TaC 0,5Тригональный [15]анти-CdI 2hP3P 3 м1164115.080,31030,4938
TaC 0,5Шестиугольный [9]hP4P6 3 / mmc194215.030,31050,4935

Здесь Z - количество формульных единиц на элементарную ячейку, ρ - плотность, рассчитанная по параметрам решетки.

Свойства [ править ]

Связь между атомами тантала и углерода в карбидах тантала представляет собой сложную смесь ионного, металлического и ковалентного вкладов, и из-за сильного ковалентного компонента эти карбиды являются очень твердыми и хрупкими материалами. Например, TaC имеет микротвердость 1600–2000 кг / мм 2 [16] (~ 9 Mohs) и модуль упругости 285 ГПа, тогда как соответствующие значения для тантала составляют 110 кг / мм 2 и 186 ГПа. Твердость, предел текучести и напряжение сдвига увеличение с содержанием углерода в ТБК х . [17]

Карбиды тантала обладают металлической электропроводностью как по величине, так и по температурной зависимости. TaC - сверхпроводник с относительно высокой температурой перехода T C = 10,35 К. [13]

Магнитные свойства TaC x изменяются от диамагнитных при x ≤ 0,9 до парамагнитных при больших x . Обратное поведение (парадиамагнитный переход с увеличением x ) наблюдается для HfC x , несмотря на то, что он имеет ту же кристаллическую структуру, что и TaC x . [18]

Заявление [ править ]

Карбид тантала широко используется в качестве спекающей добавки в сверхвысокотемпературной керамике (UHTC) или в качестве керамического армирования в высокоэнтропийных сплавах (HEA) благодаря своим превосходным физическим свойствам в отношении температуры плавления, твердости, модуля упругости, теплопроводности, теплового удара. сопротивление и химическая стабильность, что делает его желательным материалом для самолетов и ракет в аэрокосмической промышленности.

Wang et al. синтезировали керамическую матрицу SiBCN с добавлением TaC с помощью методов механического легирования плюс реактивного спекания горячим прессованием, в которых порошки BN, графита и TaC смешивались с помощью шаровой мельницы и спекались при 1900 ° C для получения композитов SiBCN-TaC. Для синтеза процесс измельчения в шаровой мельнице измельчал порошки TaC до 5 нм без взаимодействия с другими компонентами, что позволяло образовывать агломераты, которые состоят из сферических кластеров диаметром 100-200 нм. Анализ ПЭМ показал, что TaC распределяется либо случайным образом в виде наночастиц размером 10-20 нм внутри матрицы, либо в BN с меньшим размером 3-5 нм. В результате композит с добавлением 10 мас.% TaC улучшил вязкость разрушения матрицы, достигнув 399,5 МПа по сравнению с 127,9 МПа у нетронутой керамики SiBCN.В основном это связано с несоответствием коэффициентов теплового расширения керамической матрицы TaC и SiBCN. Поскольку TaC имеет больший коэффициент теплового расширения, чем у матрицы SiBCN, частицы TaC выдерживают растягивающее напряжение, в то время как матрица выдерживает растягивающее напряжение в радиальном направлении и сжимающее напряжение в тангенциальном направлении. Это заставляет трещины обходить частицы и поглощает некоторую энергию для достижения упрочнения. Кроме того, равномерное распределение частиц TaC вносит вклад в предел текучести, объясняемый соотношением Холла-Петча, из-за уменьшения размера зерна.Частицы TaC выдерживают растягивающее напряжение, в то время как матрица выдерживает растягивающее напряжение в радиальном направлении и сжимающее напряжение в тангенциальном направлении. Это заставляет трещины обходить частицы и поглощает некоторую энергию для достижения упрочнения. Кроме того, равномерное распределение частиц TaC вносит вклад в предел текучести, объясняемый соотношением Холла-Петча, из-за уменьшения размера зерна.Частицы TaC выдерживают растягивающее напряжение, в то время как матрица выдерживает растягивающее напряжение в радиальном направлении и сжимающее напряжение в тангенциальном направлении. Это заставляет трещины обходить частицы и поглощать некоторую энергию для достижения жесткости. Кроме того, равномерное распределение частиц TaC вносит вклад в предел текучести, объясняемый соотношением Холла-Петча, из-за уменьшения размера зерна.[19]

Wei et al. синтезировали новую тугоплавкую матрицу MoNbRe0.5W (TaC) x HEA с использованием вакуумно-дуговой плавки. Рентгенограммы показали, что полученный материал в основном состоит из монокристаллической структуры ОЦК в основном сплаве MoNbRe0.5W и карбида многокомпонентного (MC) типа (Nb, Ta, Mo, W) C с образованием ламеллярной эвтектической структуры. , с количеством фазы MC, пропорциональным добавлению TaC. Анализ ПЭМ показал, что ламеллярная граница раздела между фазой ОЦК и МК имеет гладкую и извилистую морфологию, которая демонстрирует хорошее сцепление без дислокаций несоответствия решетке. В результате размер зерна уменьшается с увеличением добавки TaC, что улучшает предел текучести, объясняемый соотношением Холла-Петча. Формирование ламеллярной структуры связано с тем, что при повышенной температуре в композитах MoNbRe0.5W (TaC) x происходит реакция разложения: (Mo, Nb, W,Ta) 2C → (Mo, Nb, W, Ta) + (Mo, Nb, W, Ta) C, в котором Re растворен в обоих компонентах с образованием зародышей сначала фазы BCC, а затем фазы MC в соответствии с фазовыми диаграммами.[20] Кроме того, MC-фаза также улучшает прочность композитов из-за ее более жестких и эластичных свойств по сравнению с BCC-фазой. [21]

Wu et al. также синтезировали керметы на основе Ti (C, N) с добавлением TaC с помощью шаровой мельницы и спекания при 1683 К. Анализ ПЭМ показал, что TaC способствует растворению карбонитридной фазы и превращается в фазу TaC-связующего. В результате образуется структура «черная сердцевина-белый ободок» с уменьшением размера зерен в районе 3-5 мас.% Добавки TaC и увеличением поперечной прочности на разрыв (TRS). Область 0-3 мас.% TaC показала снижение TRS, поскольку добавление TaC снижает смачиваемость между связующим и карбонитридной фазой и создает поры. Дальнейшее добавление TaC свыше 5 мас.% Также снижает TRS, поскольку TaC агломерируется во время спекания и снова образуется пористость. Наилучший TRS обнаруживается при добавлении 5 мас.%, Когда мелкие зерна и однородная микроструктура достигаются для меньшего скольжения по границам зерен. [22]

Естественное явление [ править ]

Карбид тантала - это естественная форма карбида тантала. Это крайне редкий минерал кубической формы. [23]

См. Также [ править ]

  • Карбид гафния

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d Лиде, Дэвид Р., изд. (2009). CRC Справочник по химии и физике (90-е изд.). Бока-Ратон, Флорида : CRC Press . ISBN 978-1-4200-9084-0.
  2. ^ а б в 5196273 
  3. ^ Карбид тантала в Linstrom, Peter J .; Маллард, Уильям Г. (ред.); Веб-книга NIST Chemistry, стандартная справочная база данных NIST номер 69 , Национальный институт стандартов и технологий, Гейтерсбург (Мэриленд), http://webbook.nist.gov (получено 2 июля 2014 г.)
  4. ^ Emsley, Джон (11 августа 2003). Природы строительных блоков: руководство AZ элементам . Издательство Оксфордского университета. С.  421 -. ISBN 978-0-19-850340-8. Проверено 2 мая 2011 года .
  5. ^ Заявление о температуре плавления 4000 ° C в TaC 0.89 основано не на фактических измерениях, а на экстраполяции фазовой диаграммы с использованием аналогии с NbC, см. Emeléus
  6. ^ a b Емелеус, Гарри (1968). Успехи неорганической химии и радиохимии . Академическая пресса. С. 174–176. ISBN 978-0-12-023611-4. Проверено 3 мая 2011 года .
  7. ^ Agte, C .; Альтертум, Х. (1930). «Исследования систем с карбидами при высокой температуре плавления и вклад в проблему плавления углерода». Zeitschrift für technische Physik . 11 : 182–191. ISSN 0373-0093 . 
  8. ^ а б Лоннберг, В; Лундстрем, Т; Теллгрен, Р. (1986). "Нейтронографическое исследование Ta2C и W2C". Журнал менее распространенных металлов . 120 (2): 239–245. DOI : 10.1016 / 0022-5088 (86) 90648-X .
  9. ^ а б Руди, Эрвин; Брукль, CE; Виндиш, Стефан (1968). «Состав тройных сплавов Ta-Mo-C». Журнал Американского керамического общества . 51 (5): 239–250. DOI : 10.1111 / j.1151-2916.1968.tb13850.x .
  10. Перейти ↑ Joly, A. (1876). "Sur les azotures et carbures de niobium et de tantale" . Компт. Ренд. (На французском). 82 : 1195.
  11. ^ Шак, Кристофер Э .; Манукян, Хачатур В .; Рувимов, Сергей; Рогачев, Александр С .; Мукасян, Александр Сергеевич (январь 2016 г.). «Твердое пламя: экспериментальная проверка» . Горение и пламя . 163 : 487–493. DOI : 10.1016 / j.combustflame.2015.10.025 .
  12. ^ Лаврентьев, А; Габрельян, Б; Воржев, В; Никифоров, я; Хыжун, О; Rehr, J (2008). «Электронная структура кубических карбидов HfxTa1 – xCy по результатам рентгеноспектральных исследований и кластерных самосогласованных расчетов». Журнал сплавов и соединений . 462 (1–2): 4–10. DOI : 10.1016 / j.jallcom.2007.08.018 .
  13. ^ a b c Валвода В. (1981). «Рентгеноструктурное исследование температуры Дебая и распределения заряда в монокарбиде тантала». Physica Status Solidi . 64 : 133–142. DOI : 10.1002 / pssa.2210640114 .
  14. ^ Ивон, К .; Парте, Э. (1970). «О кристаллохимии карбидов переходных металлов с плотной упаковкой. I. Кристаллическая структура карбидов [дзета] -V, Nb и Ta». Acta Crystallographica Раздел B . 26 (2): 149–153. DOI : 10.1107 / S0567740870002091 .
  15. ^ Bowman, AL; Уоллес, ТК; Yarnell, JL; Wenzel, RG; Штормы, EK (1965). «Кристаллические структуры V2C и Ta2C». Acta Crystallographica . 19 : 6–9. DOI : 10.1107 / S0365110X65002670 .
  16. ^ Курт Х. Стерн (1996). Металлургические и керамические защитные покрытия. Чепмен и Холл.
  17. ^ Ояма, С. Тед (1996). Химия карбидов и нитридов переходных металлов . Springer. С. 29–30. ISBN 978-0-7514-0365-7. Проверено 3 мая 2011 года .
  18. ^ Гусев, Александр; Ремпель, Андрей; Магерл, Андреас (2001). Беспорядок и порядок в сильно нестехиометрических соединениях: карбидах, нитридах и оксидах переходных металлов . Springer. С. 513–516. ISBN 978-3-540-41817-7. Проверено 3 мая 2011 года .
  19. ^ Ван, Бинчжу и др. «Влияние добавления TaC на микроструктуру и механические свойства композитной керамики SiBCN». Ceramics International 45.17 (2019): 22138-22147
  20. ^ Э. Руди, С. Виндиш, CE Брукл, Технический отчет № AFML-TR-65-2, Часть II, Тройные фазовые равновесия в системах бор-углерод-кремний переходного металла, т. XVII, 1967 г.
  21. ^ Вэй, Циньцинь и др. «Эволюция микроструктуры, механические свойства и механизм упрочнения матричных композитов из тугоплавких высокоэнтропийных сплавов с добавкой TaC». Журнал сплавов и соединений 777 (2019): 1168-1175.
  22. ^ Ву, Пэн и др. «Влияние добавления TaC на микроструктуру и механические свойства керметов на основе Ti (C, N)». Материалы и дизайн 31.7 (2010): 3537-3541.
  23. ^ Миндат, http://www.mindat.org/min-7327.html